基于PCSWMM雙排水系統(tǒng)計(jì)算方法在某核設(shè)施廠址防洪能力評估分析中的應(yīng)用

路　雨，趙　雷，紀(jì)忠華，王　璐，胡勐乾（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京　100082）

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基于PCSWMM雙排水系統(tǒng)計(jì)算方法在某核設(shè)施廠址防洪能力評估分析中的應(yīng)用

路雨，趙雷，紀(jì)忠華，王璐，胡勐乾
（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100082）

摘要：本文應(yīng)用商用雨排水分析計(jì)算軟件PCSWMM，建立雙排水系統(tǒng)分析模型，模擬了某核設(shè)施廠址在極端降雨工況下的地下排水和地表徑流過程。模擬結(jié)果顯示，該核設(shè)施廠址在500年一遇降雨下的地表最大積水深度為0.13 m，與推理公式法計(jì)算結(jié)果0.10 m較吻合，較真實(shí)地反映出了實(shí)際防水淹能力，采用PCSWMM的雙排水系統(tǒng)計(jì)算方法能較好地模擬最大積水深度結(jié)果。

關(guān)鍵詞：PCSWMM；雙排水系統(tǒng)；積水深度；核設(shè)施；防水淹

福島核事故發(fā)生以后，核電廠及核設(shè)施的防水淹問題逐漸得到關(guān)注。李丹等對國外核電廠外部水淹事件進(jìn)行了分析［1］，表明核設(shè)施防水淹問題的重要性。目前，核設(shè)施的防水淹計(jì)算過程一般采用推理公式法進(jìn)行計(jì)算［2］，表明了核設(shè)施防水淹問題的重要性。推理公式法雖然應(yīng)用廣泛，但是由于其是通過手算方法，在大尺度的匯水面積計(jì)算上，存在著計(jì)算繁瑣、工作量大、易出錯等缺陷［3，4］。隨著計(jì)算能力的提高，數(shù)學(xué)模型法正在被推廣應(yīng)用。當(dāng)匯水面積超過2 km2時，宜考慮降雨在時空分布上的不均勻性和管網(wǎng)匯流過程，采用數(shù)學(xué)模型法計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量［5］。武漢大學(xué)已嘗試開展使用數(shù)學(xué)模型法SWMM方法進(jìn)行核電基地廠區(qū)暴雨積水過程的計(jì)算［6］。SWMM方法可以模擬單一的地下管網(wǎng)情況［7-11］，但是對于地下排水和地表漫流的耦合分析，則不能直接計(jì)算得到。本文選用目前國際上成熟的商用雨排水軟件PCSWMM軟件進(jìn)行研究，其雙排水系統(tǒng)可以良好解決地下排水和地表漫流耦合分析的問題。本文選取某核設(shè)施廠址作為研究區(qū)域，通過建立地下排水和地表漫流耦合的雙排水系統(tǒng)，直接模擬核設(shè)施廠址在極端降雨下的地下排水和地表徑流過程。

1　研究內(nèi)容

某核設(shè)施廠址地處北亞熱帶向暖濕帶的過渡氣候區(qū)，屬大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量為806 mm，最大年降水量為1 376 mm，研究區(qū)域匯水面積4.312 ha，廠址西北高，東南低，最大坡度0.061，最小坡度0.003，廠房道路為環(huán)形，道路由混凝土組成，四周有草地，中部為混凝土廠房，東側(cè)有4個排水口，參見圖1。本文廠區(qū)排水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為500年一遇設(shè)計(jì)；并參照核電廠標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防洪裕度評估，選取1000年一遇設(shè)計(jì)，可能最大降雨（Probable Maximum Precipitation，簡稱PMP）校核。本文根據(jù)該核設(shè)施廠址排水系統(tǒng)特點(diǎn)將排水系統(tǒng)劃分為4條排水干道，4個排水出口，根據(jù)PCSWMM模型，選用在我國排水管渠設(shè)計(jì)中常用的芝加哥雨型［12］計(jì)算了500年一遇及10000年一遇降雨下的積水深度，為該核設(shè)施廠址的防水淹能力提供技術(shù)支持。

本文的排水系統(tǒng)選取4條排水干道，排水干道總長度643.37m，具體劃分見圖1及表1。

匯水區(qū)域分為混凝土路面、草地和屋頂散水三部分，依據(jù)《給水排水設(shè)計(jì)手冊》［13］和《排水工程》［14］上的描述，混凝土路面徑流系數(shù)取0.9，草地徑流系數(shù)取0.15，屋頂散水按照混凝土路面徑流系數(shù)取0.9。

圖1　某核設(shè)施廠址的排水系統(tǒng)劃分Fig.1 Partition drainage systems of a nuclear facility site

表1　某核設(shè)施廠址的排水系統(tǒng)劃分Table 1 Partition drainage systems of a nuclear facility site

2　輸入?yún)?shù)

2.1雨量計(jì)

PCSWMM軟件的雨量計(jì)為研究區(qū)域內(nèi)的一個或者多個子匯水面積提供降水?dāng)?shù)據(jù)［15］，本研究區(qū)域暴雨強(qiáng)度公式為重現(xiàn)期采用500年一遇及10000年一遇，雨型選取芝加哥雨型。

2.2子匯水面積

PCSWMM軟件可以利用三種不同的模型描述從子匯水面積的滲透面積到不飽和上層土壤區(qū)域的降雨滲入，分別為Horton滲入、Green-Ampt滲入、SCS曲線數(shù)滲入。本研究中將混凝土路面和屋頂散水設(shè)置為不透水區(qū)域，草地設(shè)置為透水區(qū)域，滲入模型選用Horton滲入，曼寧系數(shù)混凝土路面為0.012，屋頂散水為0.013，草地為0.15。

2.3管道數(shù)據(jù)

PCSWMM軟件的管道為導(dǎo)管或渠道，可以在運(yùn)移系統(tǒng)中將水從一個節(jié)點(diǎn)移動到另一個節(jié)點(diǎn)?？梢詮母鞣N標(biāo)準(zhǔn)的開放和閉合幾何形狀中選擇其橫截面形狀。

PCSWMM使用曼寧公式表示所有管道的流速Q(mào)、橫截面積A、水力半徑R和坡度S之間的關(guān)系。其中n為曼寧粗糙系數(shù)。

對于圓形有壓管道，使用哈森—威廉姆斯或達(dá)西公式替代曼寧公式用于充分有壓流。哈森—威廉姆斯公式為Q=1.318CAR0.63S0.54。其中C為哈森—威廉姆斯因子，與表面粗糙系數(shù)成反比，且作為橫截面參數(shù)之一。對于混凝土管道，C值取110。

模型采用雙排水系統(tǒng)，即地下管道排水和地表漫流排水。地下管道為環(huán)形壓力干管道，最大深度分別根據(jù)管徑確定，具體劃分見表2。

表2　地下排水管道各管徑分布Table 2 Partition pipe diameters of underground drainage pipes

2.4地表橫截面

PCSWMM軟件的橫截面是描述底部高程如何隨著天然渠道或形狀不規(guī)則管道橫截面上的水平距離改變而變化的幾何圖形數(shù)據(jù)。對于模型地表漫流排水選擇不規(guī)則橫截面，本研究區(qū)域根據(jù)實(shí)際地表路面斷面情況進(jìn)行設(shè)定，其具體參數(shù)設(shè)定見表3。

表3　地表漫流排水參數(shù)設(shè)定Table 3 Enactment parameters of surface runoff drainage

3　數(shù)值模擬分析結(jié)果

3.1排水干道峰值剖面分析結(jié)果

PCSWMM數(shù)值模擬的500年一遇和10000年一遇排水干道1的峰值剖面結(jié)果如圖2、圖3所示，排水干道2的峰值剖面結(jié)果如圖4所示，排水干道3的峰值剖面結(jié)果如圖5所示，排水干道4的峰值剖面結(jié)果如圖6所示。

圖2　排水干道1峰值剖面結(jié)果Fig.2 Peak value profile result of drain arteries 1

依據(jù)圖2～圖4，500年一遇降雨下，排水干道1和排水干道2的峰值剖面結(jié)果均為地下管網(wǎng)滿流且有地表漫流的情況，地表最大積水深度出現(xiàn)在排水干道2中的排水入口節(jié)點(diǎn)（7）附近，約為0.13 m左右，核設(shè)施廠房防水擋板高度一般為0.2～0.3 m，在500年一遇降雨下，未超過防水擋板高度，在發(fā)生極端降雨情況下不會影響核設(shè)施的安全。10000年一遇降雨下，約為0.15 m左右，未超過防水擋板高度，在發(fā)生核電廠級極端降雨情況下不會影響核設(shè)施的安全。

依據(jù)圖5和圖6，排水干道3和排水干道4的峰值剖面結(jié)果為地下滿流情況，峰值積水高度為地下管網(wǎng)滿流0.5m。

3.2排水入口節(jié)點(diǎn)圖表分析結(jié)果

PCSWMM模擬的500年一遇及10000年一遇各排水入口節(jié)點(diǎn)圖表結(jié)果分別如圖7～圖15。

圖3　排水干道1峰值剖面結(jié)果Fig.3 Peak value profile result of drain arteries 1

圖4　排水干道2峰值剖面結(jié)果Fig.4 Peak value profile result of drain arteries 2

圖5　排水干道3峰值剖面結(jié)果Fig.5 Peak value profile result of drain arteries 3

圖6　排水干道4峰值剖面結(jié)果Fig.6 Peak value profile result of drain arteries 4

圖7　排水入口節(jié)點(diǎn)（1）圖表結(jié)果Fig.7 Chart result of drainage inlet node（1）

圖8　排水入口節(jié)點(diǎn)（2）圖表結(jié)果Fig.8 Chart result of drainage inlet node（2）

圖9　排水入口節(jié)點(diǎn)（3）圖表結(jié)果Fig.9 Chart result of drainage inlet node（3）

圖10　排水入口節(jié)點(diǎn)（4）圖表結(jié)果Fig.10 Chart result of drainage inlet node（4）

圖11　排水入口節(jié)點(diǎn)（5）圖表結(jié)果Fig.11 Chart result of drainage inlet node（5）

圖12　排水入口節(jié)點(diǎn)（6）圖表結(jié)果Fig.12 Chart result of drainage inlet node（6）

圖13　排水入口節(jié)點(diǎn)（7）圖表結(jié)果Fig.13 Chart result of drainage inlet node（7）

圖14　排水入口節(jié)點(diǎn)（8）圖表結(jié)果Fig.14 Chart result of drainage inlet node（8）

圖15　排水入口節(jié)點(diǎn)（9）圖表結(jié)果Fig.15 Chart result of drainage inlet node（9）

依據(jù)圖7、圖8、圖12，排水入口節(jié)點(diǎn)（1）、（2）為排水干道1的起點(diǎn)，排水入口節(jié)點(diǎn)（6）為排水干道2的起點(diǎn)，剛降雨即達(dá)到管道滿流，這是由于其管徑較?。?.2 m到0.3 m）導(dǎo)致的。依據(jù)圖9～圖13，排水入口節(jié)點(diǎn)（3）、（4）、（5）、（7）由于處在各排水干道的中后部，一開始僅有降雨形成的積水深度，隨著時間的推移，排水干道上部降雨形成的管道內(nèi)排水，使此三處排水入口節(jié)點(diǎn)的積水深度達(dá)到峰值，再隨著時間的推移，峰值隨著管道內(nèi)排水而逐漸消失。依據(jù)圖14、圖15，排水入口節(jié)點(diǎn)（8）、（9）與芝加哥雨型基本一致，這是由于其管徑較大（0.5 m），剛降雨不能達(dá)到管道滿流，可保持與降雨雨型的一致性。

4　結(jié)論

通過使用PCSWMM軟件模擬該核設(shè)施廠址處在極端降雨情況下的防水淹情況，結(jié)果表明：

本文采用的PCSWMM中的雙排水系統(tǒng)解決了SWMM無法同時模擬地下管網(wǎng)滿流與地表漫流的最大積水高度的問題，使地下一維管網(wǎng)與地表漫流得以良好耦合；

不同地下管道位置處的積水深度過程基本符合實(shí)際情況，能夠滿足實(shí)際要求；

地表漫流峰值符合實(shí)際漫流過程，隨著上游坡度的降低，地表最大積水深度均出現(xiàn)在各排水管道的下游地段，與實(shí)際漫流過程相符合；

地表最大積水深度出現(xiàn)在排水干道2中的排水入口節(jié)點(diǎn)（7）附近，500年一遇降雨下約為0.13m左右，10000年一遇降雨下約為0.15 m左右，核設(shè)施廠房防水擋板高度一般為0.2～0.3 m，在極端降雨情況下，未超過防水擋板高度，不會影響核設(shè)施的安全。

5　討論

本文基于PCSWMM雙排水系統(tǒng)計(jì)算方法，研究了在某核設(shè)施廠址校核分析中進(jìn)行的應(yīng)用，在應(yīng)用過程中還存在一些問題，推理公式法與數(shù)學(xué)建模法對結(jié)果的比較等方面還需要進(jìn)一步分析，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完善也影響更復(fù)雜模型的建立，在接下來的工作中還需要深入探討。

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The Application of Double Drainage System of Rainwater Drainage Computing Method base on PCSWMM in the Flood Defending
Ability Assessment Analysis of a Nuclear Facility Site

LU Yu，ZHAO Lei，JI Zhonghua，Wang Lu，HU Mengqian
（Nuclear and Radiation Safety Center，MEP，Beijing 100082，China）

Abstract：The research applies PCSWMM，a commercial rainwater analysis calculation software in the assessment of flood defending ability of a nuclear facility site. The double drainage systems analysis model was built up to simulate the process of under ground drainage and surface runoff in extreme rainfall in a nuclear facility site. The simulating result displays，the surface maximum water depth of the nuclear facility site 500 years at once is 0.13 meters. The calculating result is identical with the calculating result 0.10 meters of inference formula method. It can reflect the actual flood defense ability. The double-drainage-systems calculation method in PCSWMM could simulate the maximum flooding water depth result very well.

Key words：PCSWMM；double- drainage- systems；flooding water depth；nuclear facility；flood defending

中圖分類號：TV121+.2

文章標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-5360（2016）01-0030-08

收稿日期：2016-01-28修回日期：2016-02-13

基金項(xiàng)目：核電廠外部事件安全裕量評估，項(xiàng)目編號201309056

作者簡介：路雨（1974—），男，北京人，工程師，地下水科學(xué)與工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事核電廠工程水文審評工作